Wusana Agung Wibowo. Prof. Dr. Herri Susanto

Transkripsi

1 Wusana Agung Wibowo Universitas Sebelas Maret (UNS) Prof. Dr. Herri Susanto Institut Teknologi Bandung (ITB) Bandung, 20 Oktober 2009

2 Gasifikasi biomassa Permasalahan Kondensasi tar Kelarutan sebagian komponen tar dalam air Latar Belakang Jenis minyak Kondisi operasi absorpsi Parameter Perancangan alat Aplikasi Penyerapan berbasis minyak Integrasi dengan mesin Diesel-genset untuk produksi listrik Titik didih minyak lebih tinggi atau hampir sama dengan titik didih komponen tar Konsep absorbsi-desorbsi dapat diterapkan Syarat gas produser bersih untuk aplikasi integrasi dengan mesin Diesel-genset: Kandungan tar mg/nm 3, kandungan partikel mg/nm 3, temperatur gas dibawah 50 o C 2

3 Rumusan Masalah Densitas Viskositas Tegangan muka Luas kontak Waktu tinggal Difusivitas Temperatur Koef. Transfer Tekanan Laju alir gas 3

4 Tujuan Penelitian Penelitian ini merupakan suatu bagian pengembangan teknologi pembersihan gas hasil gasifikasi biomassa dengan prinsip absorbsi-desorbsi menggunakan pelarut berbasis minyak. Tujuan penelitian: a. mempelajari peristiwa transfer massa gas-cair pada proses absorpsi komponen tar dalam minyak b. menentukan nilai koefisien transfer massa volumetrik fase cair (K L a) 4

5 Tinjauan Pustaka Diagram Alir Proses Pemisahan Tar (Absorpsi-Desorpsi berbasis minyak/ Proses OLGA) Energy Research Centre of the Netherlands (ECN) Collector Absorber Stripper Tar cair dan minyak, ke gasifier Gas produser bebas tar Udara dengan kandungan tar dan minyak teruapkan, ke gasifier Gas produser dengan kandungan tar Make-up minyak Pompa Udara Pompa Pompa (Boerrigter,et al., 2005) 5

6 Tinjauan Pustaka Hasil Penelitian Pemisahan Tar dengan Proses OLGA skala laboratorium (ECN) Inlet Absorber Kelas Tar Tingkat pemisahan Kelas-1 Fragmen biomassa 100 % Kelas-2 fenol, kresol, piridin, quilonin 97 % Kelas 3 Total tar Kelas-3 toluen, xilen, etilbenzen 65 % Outlet Absorber Kelas-4 Naptalen, indena, bipenil, antrasen 100 % Kelas-5 fluoranten, krisen, piren 100 % Kelas-6 tidak diketahui 99 % Kelas 3 Total tar (Bergman, et.al., 2005) 6

7 Tinjauan Pustaka Transfer massa gas-cair Jika yang ditinjau hanya transfer massa pada fasa cair, maka perubahan konsentrasi A (mol A / volum) di fasa cair merupakan fungsi waktu: dc dt AL K a c * L.( A cal )..(1) Faktor a dan koefisien transfer massa tergantung pada geometri alat transfer massa dan kecepatan kedua arus (gas dan cair), maka biasanya digabung sebagai suatu hasil perkalian yaitu K L a, dan disebut sebagai koefisien transfer massa volumetris fasa cair (Hardjono, 1989). Hasil integrasi persamaan (1) menghasilkan: c c K a t C * ln( A AL ) L...(2) Konsentrasi komponen tar dalam minyak pada interval waktu tertentu (c AL, mol/l) dan konsentrasi kesetimbangan (c A*, mol/l) diukur melalui eksperimen. Nilai K L a merupakan kemiringan garis pada kurva -ln(c A* - c AL ) terhadap waktu (t). 7

8 Model estimasi nilai koefisien transfer massa fasa cair (K L ) Beberapa model estimasi nilai koefisien transfer massa fasa kontinyu/cair berdasarkan kondisi bilangan Re aliran gas adalah sebagai berikut: Tinjauan Pustaka 1. Re < 10 korelasi Rowe: Shc 2,076(Re) ( Sc) 0,5 0,5..(3) < Re < 100 model estimasi koefisien transfer massa fasa cair dapat menggunakan korelasi GFT: Shc 3. atau korelasi Higbie: 126 1,8(Re) ( Sc) k 4D AB U T 0,5 0,42 4. Re > 200 mengunakan korelasi Garner-Tayeban: Shc L d b 1/ ,0085(Re)( Sc) 0,7 (4)..(5)..(6) Sherwood (Sh c ) : Reynold (Re): Schmit (Sc): Sh c kl. d D AB 8 b d. U. D b G Re Sc. AB

9 Koefisien difusi zat terlarut A mendifusi ke dalam pelarut B (D AB ) Tinjauan Pustaka Fey dan Bart (2001), dalam penelitiannya menggunakan korelasi yang diajukan oleh Scheibel: 2/3 8 3V B T DAB 8,2x10 1 1/3..(7) VA. V A Volum molar zat terlarut A (V A ) dan pelarut B (V B ) ditentukan berdasarkan hukum Kopp Diameter gelembung (d b ) Pohorecki, et.al. (2005), mengajukan korelasi untuk menghitung diametar gelembung (d b ) sebagai fungsi sifat fisik cairan (densitas (r), viskositas (m), tegangan muka (s)) dan kecepatan superfisial gas (U G ): d b 0, 289 U 0,552 0,048 0,442 0,124 G..(8) 9

10 Tinjauan Pustaka Kecepatan superfisial gelembung (U G ) U G dianggap sama dengan kecepatan linier gas: U G h / t g..(9) Kecepatan terminal gelembung (U T ) Sinha dan Lahiri (1987), menggunakan persamaan yang diajukan oleh Clift, et.al. untuk menghitung kecepatan terminal gelembung (U T ). Untuk diameter gelembung di atas 0,0013 m, kecepatan terminal gelembung dapat diestimasi menggunakan persamaan berikut: U T (2,14 0,505 g. db ). d Luas antar-muka gas-cair per unit volum (a) b 1/ 2..(10) a 24Q D U d 2 k G b..(11) 10

11 Metodologi Penelitian Penyiapan bahan Model gas produser Minyak A Minyak B Jenis minyak: Minyak A dan Minyak B (perbedaan berat molekul dan viskositas) Percobaan penyerapan Variasi laju alir gas umpan Variasi temperatur minyak Percobaan Kejenuhan Variasi temperatur minyak Model gas produser: toluen atau fenol dalam aliran udara Variasi laju alir gas umpan: Analisis gravimetrik Jumlah massa model tar terserap dalam minyak Data gelembung Analisis gravimetrik Jumlah massa model tar terserap dalam minyak 0,063 ; 0,043 & 0,032 L/menit Variasi temperatur minyak: 28 o C, 59 o C dan 92 o C Model estimasi nilai K L a Percobaan laboratorium kolom gelembung Nilai K L a Jumlah komponen model tar Nilai K L a dan model estimasi yang sesuai terserap di dalam minyak metode gravimetrik Studi pemilihan tipe kontaktor gas-cair Data tambahan: Jumlah gelembung per satuan waktu Dasar perancangan unit absorpsi & waktu tinggal gelembung 11

12 Metodologi Penelitian Rangkaian alat percobaan Thermo controller 01 Thermo controller 02 Thermo controller 03 Regulator Pipa Venturi Tabung 03 1 Dry-B Wet-B 2 Tabung 05 Tabung 04 Tabung 01 Kran 02 3 Tabung 02 Blower Kran 01 Kran 03 Termometer Manometer 01 Batu es+air+garam Bath pendingin 01 Bath pemanas 01 Pemanas sabuk Bath pemanas 02 Keterangan: Tabung 06 Tabung Tabung Tabung 09 Tabung 10 Tabung 11 1 Unit pengeringan udara 2 Unit pencampuran udara-tar 3 4 Unit penyerapan tar Unit analisis Manometer 02 Batu es+air+garam Bath pendingin 02 Manometer 03 4 Batu es+air+garam Bath pendingin 03 12

13 Hasil Penelitian Sifat fisika minyak uji Sifat Minyak A Minyak B Air Berat molekul, g/mol (pustaka) di atas 800 di bawah Titik didih (pada 1 atm), o C (pustaka) di atas Viskositas, cp (pengukuran pada 30 o C) Densitas, g/ml (pengukuran pada 30 o C) ,8 0,91 0,89 1,00 Tekanan uap, mmhg pada 30 o C (pustaka) di bawah 0,05 0,01 31,82 Berat molekul minyak A lebih besar dari minyak B Viskositas minyak A jauh lebih kecil daripada minyak B 13

14 T ( o C) Data hasil percobaan (c AL, mol/l) Q (L/min) Toluen Oil A Fenol Oil A Toluen Oil B Fenol Oil B 0,063 0, ,063 0,0052 0, ,043 0,0062 0,0048 0,0052 0,0034 0,043 0,0061 0,0037 0,0056 0,0031 0,032-0,0102 0,0063 0,0022 0, ,0061 0,0021 c A * 0,0606 0,0342 0,0563 0,0101 0,063-0, ,063 0,0078 0, ,043 0,0071 0,0030 0,0067 0,0013 0,043 0,0109-0,0090 0,0011 0,032 0,0075 0,0021 0,0046 0,0009 0, ,0082 0,0011 c A * 0,0419 0,0222 0,0374 0,0068 0, ,063 0, ,043 0,0064-0,0025-0,043 0,0013-0,0031-0,032 0,0061-0,0016-0, , c A * 0,0177-0, Konsentrasi komponen tar dalam minyak pada saat awal (t = 0) dianggap nol (c AL,0 = nol). Hasil Penelitian Sistem Toluen Minyak A Sistem Toluen Minyak B Grafik hubungan -ln(c A* - c AL ) terhadap waktu (t) pada suhu minyak 59 o C. (K L a = slope pers.2) 14

15 Pengaruh laju alir gas dan suhu minyak terhadap nilai K L a Hasil Penelitian Sistem Toluen Minyak A Sistem Toluen Minyak B Sistem Fenol Minyak A Sistem toluen/fenol Minyak A (19 < Re < 60) model estimasi Higbie dan GFT Sistem Fenol Minyak B Sistem toluene/fenol Minyak B (Re < 10) 15 model estimasi Rowe

16 Kesimpulan Kesimpulan Dari hasil penelitian yang dilakukan, diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Rentang nilai K L a yang diperoleh dari percobaan ini adalah: Sistem toluen Minyak-A: 1,541x ,01x10-3 Sistem fenol Minyak-A : 1,410x10-3 5,903x10-3 Sistem toluen Minyak-B : 1,681x10-3 4,153x10-3 Sistem fenol Minyak-B : 2,654x10-3 6,475x Dengan menggunakan beberapa pendekatan, diperoleh bahwa: Model estimasi nilai koefisien transfer massa fasa cair Higbie relatif lebih sesuai untuk sistem penyerapan toluen/fenol-minyak-a daripada model GFT, walaupun masih mempunyai error yang cukup besar. Model estimasi Rowe tidak sesuai untuk memprediksikan nilai koefisien transfer massa fasa cair sistem toluen/fenol-minyak-b, error yang diperoleh besar. 16

17 Saran Saran 1. Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang lebih akurat lagi, dapat digunakan peralatan Gas Chromatography (GC). 2. Penelitian dapat dilanjutkan dengan memperluas permukaan kontak gas-cair dengan cara menggunakan bahan isian dalam kolom penyerapan atau menggunakan sparger. 3. Penelitian eksploratif sebaiknya dilakukan pada berbagai jenis minyak dengan berat molekul besar dan viskositas rendah. 4. Untuk studi termodinamika eksploratif sebaiknya dilakukan analisa komposisi jenis minyak yang digunakan. 17

18 B i o m a s s f o r F u t u r e 18